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研究背景

     在好氧生物反應(yīng)過程中，攪拌式生物反應(yīng)器的性能直接決定了生產(chǎn)效率與經(jīng)濟成本。圓盤渦輪攪拌槳（Disc Turbine Impeller）作為核心組件，其結(jié)構(gòu)顯著影響氧傳質(zhì)效率（以體積氧傳質(zhì)系數(shù)kLa表征）與功耗（以單位體積功率輸入P/V度量）。傳統(tǒng)的Rushton渦輪攪拌槳（RT）因高氣液傳質(zhì)能力被廣泛應(yīng)用，但其高能耗限制了規(guī)模化應(yīng)用。現(xiàn)有研究通過改型葉片（如CD-6、PDT等）降低功率，但存在實驗盲目性強、系統(tǒng)性不足的問題。此外，組合參數(shù)優(yōu)化面臨的巨額計算成本亟待解決。本研究創(chuàng)新性地結(jié)合計算流體力學（CFD）與田口實驗設(shè)計（Taguchi Method），系統(tǒng)探究葉片曲率、非對稱性和徑向彎曲角對氧傳質(zhì)-功耗平衡的影響，提出面向工業(yè)場景的高效節(jié)能攪拌槳設(shè)計方案。

主要內(nèi)容

1.單因素實驗優(yōu)化

     以94L攪拌罐為研究對象，通過目標函數(shù)（歸一化權(quán)重相等）衡量傳質(zhì)與能耗間的權(quán)衡。分別分析葉片曲率系數(shù)a、非對稱性、徑向彎曲角對kLa、P/V及EV的影響，確定優(yōu)化參數(shù)區(qū)間。

葉片曲率

非對稱性

徑向彎曲角度

單因素實驗結(jié)果

2.正交實驗優(yōu)化

     采用L9(33)正交表，探究三因素三水平的組合效應(yīng)，結(jié)合極差分析與方差分析（ANOVA）篩選最優(yōu)參數(shù)組合。

正交實驗組合

正交實驗結(jié)果統(tǒng)計分析

3.葉輪綜合性能分析

     在不同轉(zhuǎn)速（100-500 rpm）和曝氣速率（0-1.8 vvm）下進行了 CFD 模擬，以探究優(yōu)化后葉輪的綜合表現(xiàn)。P-0.1-T15B20-AM30°葉輪的平均功率需求僅為RT葉輪的31.2%和CD-6葉輪的46.1%，而平均體積氧轉(zhuǎn)移系數(shù)kLa保持在RT葉輪的52.3%和CD-6葉輪的68.9%。與 RT 和 CD-6 葉輪相比，EV分別增加了 12.4% 和 8%。

四種葉輪結(jié)構(gòu)示意圖

四種葉輪在不同轉(zhuǎn)速和通氣速率下的kLa,P/V和EV

總結(jié)概括

    本研究通過集成CFD與田口法，系統(tǒng)揭示了圓盤渦輪攪拌槳結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳質(zhì)與能耗的關(guān)聯(lián)機制，驗證了統(tǒng)計優(yōu)化方法在槳型設(shè)計中的高效性。提出的P-0.1-T15B20-AM30°槳兼具經(jīng)濟性與實用性，為生物反應(yīng)器規(guī)模化降耗提供了新思路。

文章致謝

     本工作得到了國家重點研發(fā)計劃[2021YFC2103500]、國家自然科學基金[No. 22208099]的支持。同時得到蘇州沃美生物有限公司的支持和指導(dǎo)。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41598-025-92463-1

Gu,Q.,Yang,S.,Mohsin,A.etal.Optimization of oxygen transfer and power consumption in aerobic bioprocess by designing disc turbine impeller based on CFD-Taguchi method.Sci Rep 15, 8102 (2025).

https://doi.org/10.1038/s41598-025-92463-1